Die Elektromobilität gewinnt immer mehr an Bedeutung, und obwohl die Forschung in diesem Bereich sehr aktiv ist, setzen die führenden Hersteller noch immer auf bewährte Technologien bei den Lithium-Ionen-Batterien. Engelbert Portenkirchner forscht an einer möglichen Verbesserung der Materialien dieser Batterieform, die zu mehr Leistungsfähigkeit bei gleichbleibendem Gewicht und gleicher Größe führen könnte. „Handelsübliche Lithium-Ionen-Batterien verwenden die klassischen Anoden- und Kathodenmaterialien Graphit und Lithium-Metall-Oxide (siehe Box). Wir untersuchen den Einsatz von alternativen Anodenmaterialien, die zu einer erheblichen Steigerung der Speicherkapazität führen könnten“, erklärt Engelbert Portenkirchner. Der Dozent am Institut für Physikalische Chemie der Uni Innsbruck betont allerdings, dass er sich als Grundlagenforscher für das generelle Verständnis der einzelnen Interaktionen interessiert. „Wir liefern das Basiswissen für die spätere Prototypenentwicklung, die nicht mehr bei uns stattfindet.“
Vielversprechendes Material
Laut dem physikalischen Chemiker wäre eines der besten Materialien für die Anode als Ersatz für Graphit Silizium. „Reines Silizium könnte bis zu 10-mal mehr Lithium-Ionen speichern als Graphit. Das Problem dabei ist allerdings, dass sich das Anodenmaterial bei der Aufladung, also bei der Aufnahme der Lithium-Ionen, sehr stark ausdehnt und bei der Entladung wieder zusammenzieht. Da Silizium sehr hart ist, wird es durch diese Ausdehnung und Schrumpfung spröde und würde nach zwei bis drei Ladezyklen zerbrechen“, erklärt Portenkirchner. Er setzt bei seiner Forschungsarbeit deshalb auf eine Silizium-Verbindung, das Siliziumkarbid. „Der im Siliziumkarbid enthaltene Kohlenstoff könnte das Silizium in der Verbindung so stabilisieren, dass das Material den Ladezyklen standhält und dennoch drei- bis fünfmal so leistungsfähig ist wie handelsübliche Anodenmaterialien“, beschreibt Engelbert Portenkirchner den Ausgangspunkt seines Forschungsprojekts. „Unsere zentrale Frage, auf die sich unser auf vier Jahre angelegtes Forschungsprojekt aufbaut, war, ob Siliziumkarbid auch als Speichermaterial in Batterien verwendet werden kann.“ Bei der Literaturrecherche stellten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Portenkirchner fest, dass sich alle bisher untersuchten Siliziumkarbid-Materialien voneinander unterscheiden und dass sich diese Unterschiede auf die messbare Leistung bei ihrem Einsatz als Lithium-Ionen-Speicher auswirken. „Wir haben festgestellt, dass der Mechanismus der Lithium-Ionen-Speicherung in Siliziumkarbid noch nicht allgemein verstanden ist und dass die Variation der Materialformen zu unterschiedlichen Theorien geführt hat. Als Grundlagenforscher wollen wir deshalb den allgemeinen Mechanismus der Lithium-Ionen-Speicherung in Siliziumkarbid durch ein sorgfältiges, systematisches Design von Siliziumkarbid-Materialien identifizieren“, erklärt Portenkirchner.
Wie funktioniert eine Lithium-Ionen-Batterie?
Eine Lithium-Ionen-Batterie speichert Energie durch die Bewegung von Lithium-Ionen zwischen zwei Elektroden: der Anode (positiv, meist aus Graphit) und der Kathode (negativ, oft aus Lithium-Cobalt-Oxid oder anderen Lithium-Metall-Oxiden). Wenn die Batterie entladen wird, wandern die Lithium-Ionen von der Anode zur Kathode durch einen Elektrolyten, wobei Elektronen durch einen externen Stromkreis fließen und so elektrische Energie liefern. Beim Aufladen bewegen sich die Ionen in die entgegengesetzte Richtung, von der Kathode zurück zur Anode. Dieser Prozess ist reversibel, weshalb Lithium-Ionen-Batterien wiederholt aufgeladen und entladen werden können.
Neuer Ansatz
Dazu synthetisieren die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Portenkirchner das Material nach exakten Vorgaben mit genau jenen Eigenschaften, von denen bekannt ist bzw. von denen vermutet wird, dass sie die Speicherung von Lithium-Ionen begünstigen oder behindern. „Wir konnten unser Labor dank der Forschungsförderung des Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF mit einem speziellen Ofen ausstatten, der eine Synthese des Materials Siliziumkarbid bei Temperaturen von rund 2000 Grad Celsius ermöglicht“, freut sich Portenkirchner. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Institut für Physikalische Chemie arbeiten nicht nur mit reinem Siliziumkarbid. Sie versuchen auch, die Leitfähigkeit des Materials für den Einsatz in Batterien durch sogenannte Dotierungen zu verbessern. „Von der Struktur her ist Siliziumkarbid ähnlich wie Diamant – sehr kompakt und dicht und damit schlecht leitend. Wir bauen Fremdatome in das Material ein, machen es also absichtlich etwas unreiner, können dadurch aber die von uns gewünschten Eigenschaften des Materials verbessern“, erklärt der Chemiker. Derzeit experimentieren die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit Stickstoff und mit Aluminium, die als Fremdatome in das Siliziumkarbid eingebracht werden. „Sehr vereinfacht könnte man das so erklären, dass das sehr dichte Material durch die Dotierung mit den Fremdatomen sozusagen aufgelockert wird, um die Aufladung mit Lithium-Ionen einfacher zu machen“, verdeutlicht Portenkirchner. Erste Experimente mit diesem neu hergestellten, dotierten Siliziumkarbid der Innsbrucker Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler funktionieren sehr gut. „Für die Batterieforschung ist das ein neuer, vielversprechender Ansatz. Nun gilt es im weiteren Projektverlauf, die einzelnen Prozesse noch besser zu verstehen und die Materialien entsprechend anzupassen, um die Ergebnisse dann im Idealfall an Partnerinnen und Partner zur Prototypenentwicklung weiterzugeben“, so Engelbert Portenkirchner.
Dieser Beitrag ist in der Oktober-2023-Ausgabe des Magazins wissenswert erschienen. Eine digitale Ausgabe ist hier zu finden.